Instal·lació d'energia solar tèrmica

Planta d'energia solar
termoelèctrica

Captadors solars tèrmics

El captador és el component d’una instal·lació solar tèrmica, encarregat de capturar l’energia del Sol i transforma-la en calor.

El tipus d’utilització condicionarà el captador emprat; per exemple, si volem escalfar una piscina fins a una temperatura de 25-28ºC, a la primavera, necessitem un captador simple, ja que fàcilment la temperatura ambient serà d’aquest ordre o fins i tot superior. D’altra banda, si volem escalfar un fluid fins a temperatures de 200ºC necessitarem captadors que concentrin la radiació i la transfereixin a un volum petit de fluid.

Actualment, podem diferenciar entre els principals tipus de captadors següents en el mercat:

  • Els captadors plans o de placa plana.
  • Els captadors de concentració de la radiació: de cilindre parabòlic CPC, que incorporen reflectors concentradors.
  • Els de tub de buit.

 

A les aplicacions solars a baixa temperatura, és a dir, a temperatures inferiors a 80ºC, com per exemple la climatització de piscines, la producció d’aigua calenta sanitària o, fins i tot, per a subministrar calefacció, s’utilitzen majoritàriament captadors de placa plana, amb o sense coberta vidrada, en funció de l’aplicació.

Especificacions dels captadors solars

Els captadors solars, com a nucli de les instal·lacions solars tèrmiques, han de complir uns requisits mínims de qualitat. Aquestes prestacions són certificades per algun laboratori acreditat i han de seguir un protocol d’assaig definit.

La informació tècnica que cal conèixer sobre un captador solar és la següent:

  • Corbes de rendiment instantani realitzades per un laboratori acreditat.
  • Superfície útil de captació.
  • Pes
  • Instruccions de transport i manipulació del captador.
  • Capacitat i tipus de líquid termòfor recomanat pel fabricant.
  • Cabals recomanats i pèrdues de càrrega.
  • Pressió màxima de servei i pressió de prova.
  • Materials de constitució de l’absorbidor i del circuit del líquid.
  • Materials de constitució de la coberta i de la caixa.
  • Sistema de segellat.
  • Tipus i gruixos de l’aïllament.
  • Temperatura d’estancament.
  • Requisits per al manteniment.

Principis físics del funcionament del captador solar pla

El captador solar funciona a partir de l’aplicació dels principis físics següents:

El cos negre (l’absorbidor)

La radiació solar incident és parcialment absorbida pels cossos. La resta és reflectida o els travessa.

La relació entre aquests efectes depèn de:

  • La naturalesa del cos.
  • L’estat de la superfície.
  • El gruix del cos.
  • El tipus de radiació. La longitud d’ona.
  • L’angle d’incidència dels raigs solars.

Els cossos foscos i mates capten millor la radiació solar que qualsevol altre color; per això l’absorbidor del captador solar acostuma a ser de colors foscos, per tal d’aprofitar al màxim la radiació solar.

L’efecte d’hivernacle

Aquest efecte es genera en alguns cossos transparents, que normalment només són travessats per radiacions amb longitud d’ona entre 0,3 i 3 μm. Atès que la major part de la radiació solar està compresa entre 0,3 i 2,4 μm, la llum solar pot travessar un vidre. Un cop travessat, la radiació troba l’absorbidor, que s’escalfa per la radiació solar i emet radiacions compreses entre els 4,5 i 7,2 μm per a les quals el vidre és opac.

Aquesta radiació que no pot sortir és reflectida cap a l’interior altre cop. Una part d’aquesta energia escalfa el vidre i el vidre la remet cap a dins i cap a fora.

Alguns plàstics (com el policarbonat) tenen un comportament similar al vidre (deixen passar les radiacions d’ona curta procedent del Sol i aturen les emissions d’ona llarga que procedeixen de la placa absorbidora).

L’aïllament

El tercer dels principis físics que intervenen en el funcionament dels captadors és l’aïllament del conjunt respecte de l’exterior, format normalment per un revestiment intern de la caixa contenidor.

Components d’un captador solar pla

El captador solar pla amb coberta vidrada és el més emprat per a instal·lacions de producció d’aigua calenta sanitària. Aquest equip està format pels elements següent:

Absorbidor

És l’element que intercepta la radiació solar a l’interior del captador i és l’encarregat de transformar l’energia solar en energia tèrmica.

L’absorbidor està format, habitualment, per una làmina metàl·lica, normalment de coure (bon conductor tèrmic) que s’enfosqueix bàsicament amb:

1. Una fina pel·lícula de pintura negra calòrica, que resisteix temperatures de treball superiors als 100ºC.

2. Un tractament selectiu, basat en deposicions electroquímiques o pintures amb òxids metàl·lics que tenen una alta absorció de la radiació solar (ona curta) i una baixa emissivitat de l’escalfor (ona llarga).

L’absorbidor incorpora una graella de conduccions per on circularà el fluid termòfor.

Coberta transparent

Té la funció d’aïllar el captador de les condicions ambientals exteriors -tot i que deixa passar la radiació solar- que provoquen l’efecte d’hivernacle. Normalment està formada per una sola làmina de vidre temperat (resistent) amb baix contingut en ferro (molt transparent) de 4 mm de gruix aproximadament.

Aïllament

Aquest element, tal com passa en la resta d’aplicacions, compleix la funció d’evitar les pèrdues de calor de l’interior del captador -concretament de l’absorbidor- cap a l’exterior i està format normalment per planxes d’espumes sintètiques (poliuretà, cianurats, fibra de vidre, etc.) situades als costats i a la part posterior del captador.

Carcassa

La carcassa té la funció d’allotjar la resta de components. Aquest tancament normalment està format per un perfilat d’alumini anoditzat que garantirà una resistència del conjunt, fins i tot, en les condicions extremes de treball. Alhora, la carcassa, disposarà d’unes perforacions de desguàs de condensats, a la part inferior.

Captadors solars plans

El captador solar de placa plana té una bona relació cost/efectivitat en climes moderats i s’adapta correctament a un gran nombre d’aplicacions (l’escalfament d’aigua sanitària, la climatització de piscines, el suport a calefacció, el preescalfament de fluids industrials, etc.).

Podem distingir dos tipus bàsics de captadors de placa plana, en funció de la configuració de l’absorbidor: el paral·lel de “tipus graella”, en les versions vertical i horitzontal i la sèrie de “tipus serpentí”. Bàsicament, la diferència que hi ha entre ambdós és:

  • La configuració en paral·lel afavoreix que es pugui estratificar la temperatura del captador amb més volum de circulació de l’aigua per les ramificacions de l’interior del captador i obtenir un salt tèrmic d’aproximadament 10ºC amb un bon rendiment.
  • La configuració en sèrie està composada per un únic circuit continu amb poc volum d’aigua de circulació i un salt tèrmic superior, amb un bon rendiment.

 

Funcionament del captador solar pla

El funcionament d’un captador és molt bàsic. De fet, qualsevol cos exposat al Sol rep un flux energètic que l’escalfa i, per tant, fa que n’augmenti la temperatura.

Un cos a una temperatura donada emet energia al seu voltant, en forma de radiació, i aquesta depèn directament de la diferència de temperatures entre la temperatura del cos i la temperatura ambient.

Si refrigerem el captador fent-li passar un fluid per l’interior, s’aprofita aquesta calor, de manera que s’aconsegueix que una part de l’energia captada es transmeti cap a aquest fluid com a energia útil. La resta d’energia es continua perdent en forma de radiació des del captador cap a l’ambient exterior. En aquest cas, la temperatura de treball és sempre inferior a la d’equilibri.

Si volem obtenir un bon rendiment, cal fer treballar els captadors a la temperatura més baixa possible, sempre que n’hi hagi prou per a l’ús que es vulgui donar.

L’energia aprofitada es treu del captador mitjançant el fluid termòfor, generalment format per una barreja d’aigua amb anticongelant i inhibidors de la corrosió.

Altres tipus de captadors solars tèrmics

Captadors plans sense coberta

Tal com el seu nom indica, els captadors sense coberta consten bàsicament de l’element absorbidor, format generalment per un conjunt de tubs de material plàstic, EPDM, cautxú o polipropilè.

Aquest tipus de captadors solars són molt econòmics i fàcils d’instal·lar ja que habitualment presenten configuracions flexibles que permeten col·locar-los sobre qualsevol superfície. A més, són resistents a la corrosió i permeten configuracions d’escalfament directe com en el cas de l’escalfament de piscines.

En contrapartida, els captadors sense coberta amb absorbidor sintètic solen tenir corbes de rendiment molt inclinades ja que, pel fet de no tenir vidre tenen molt bon comportament òptic però, en canvi, perden ràpidament el seu rendiment quan la temperatura ambient està per sota de la temperatura de treball o amb una velocitat de vent elevada.

Per això, aquest tipus de captadors, només són aconsellables en aplicacions a baixa temperatura en què la temperatura de treball estigui pròxima a la temperatura ambient com, per exemple, per a allargar la temporada de bany en piscines descobertes. Una variable d’aquest tipus de captadors sense coberta són els captadors de planxa metàl·lica embotida i decalada, dissenyats específicament per a aplicacions en circuit tancat.

Aquesta variant presenta un millor rendiment tèrmic del captador i permet fer-lo servir per a produir aigua calenta sanitària o altres aplicacions de baixa temperatura. Un altre exemple d’aquest tipus de captador disponible al nostre mercat, consisteix en una coberta multifuncional que combina les qualitats d’una coberta metàl·lica d’acer inoxidable sense manteniment amb l’eficiència d’un captador solar de superfície selectiva.

Captadors solars de cilindre parabòlic

Els sistemes solars de concentració estan dissenyats especialment per a obtenir altes temperatures. El seu principi de funcionament es basa en la projecció de tota la radiació incident d’una superfície reflectant sobre un punt concret.

Fins fa poc, la utilització de sistemes solars tèrmics de concentració CCP estava restringida al camp de la recerca, la indústria o la generació d’electricitat, ja que aquesta tecnologia requeria sistemes complexos de seguiment i grans superfícies per a ubicar-los.

En l’àmbit domèstic, no era justificable instal·lar captadors amb aquests requisits per tal d’assolir temperatures altes de més de 200ºC.

Però actualment disposem, en el mercat, de captadors de concentració “de cilindre parabòlic compactes” (CPC) que presenten un format i unes dimensions similars a les dels captadors plans.

Els captadors estan formats per unes conduccions amb un revestiment selectiu que recorren longitudinalment el captador i que actuen d’absorbidor.

Aquestes conduccions reben la radiació solar reflectida per les parets corbes que les envolten, aconseguint així una quantitat d’energia superior per unitat de superfície d’absorbidor (W/m2).

El resultat de tot això és un captador capaç de generar temperatures altes fins a 200ºC amb nivells estàndards de radiació.

Per tant, aquest tipus de captadors serveixen, tant per a produir aigua calenta sanitària com de suport de calefacció o per a alimentar equips de fred per adsorció o absorció.

Captadors solars de tubs de buit

Aquest captador consta d’un conjunt de tubs cilíndrics, formats per un absorbidor selectiu, situat sobre un assentament reflector i envoltat d’un cilindre de vidre transparent.

Entre el tub exterior transparent i l’absorbidor interior, s’hi ha fet el buit. Amb això, s’evita les pèrdues per conducció i per convecció des de la superfície absorbent i aquest fet permet assolir temperatures de més de 100ºC i aprofitar molt més la radiació solar.

Actualment, hi ha dos tipus d’aquests captadors, amb tècniques força diferenciades pel que fa a la transmissió de la calor des del tub de buit fins al circuit primari.

D’una banda, els captadors de buit amb fluid directe, disposen d’un captador principal del circuit primari a la part superior del captador; cada tub es connecta amb aquest captador mitjançant un circuit d’anada i un altre de retorn. Per aquest circuit es fa circular el fluid del circuit primari que s’escalfarà durant el recorregut.

Els circuits interiors dels tubs presenten dues configuracions bàsiques: el circuit concèntric o circuit separat.

L’altra tendència de transmissió de calor en els tubs de buit s’anomena heat pipe.

En aquest sistema, com en el cas anterior, els captadors disposen d’un captador principal del circuit primari a la part superior però, en aquest cas, el tub de buit disposa d’un tub de coure central segellat i ple d’una barreja alcohòlica.

Es connecta aquest tub a l’absorbidor del captador solar mitjançant una pipeta condensadora, que farà la funció d’element transmissor de la calor cap al circuit primari.

La radiació solar fa escalfar l’absorbidor i evapora la barreja alcohòlica del seu interior, que puja fins al condensador situat en el captador.

En aquest punt, cedirà la calor al circuit primari i es condensa la barreja alcohòlica que tornarà a la part inferior del captador pel seu propi pes.

Una de les característiques específiques d’aquest tipus de captadors és la possibilitat, segons el model, d’inclinar individualment cada tub. Aquesta característica, és força útil a les ubicacions que, per requisits de l’edifici, sigui necessari muntar els captadors desorientats del sud.

Connexió de captadors solars tèrmics

A l’hora de definir i muntar el camp solar, cal tenir en compte que s’ha de fer una distribució dels captadors en grups.

Aquestes agrupacions de captadors haurien d’estar sempre formades per unitats del mateix model i amb una distribució el més uniforme possible.

Hi ha dues opcions o tipologies bàsiques per agrupar dos o més captadors:

De tipus sèrie o paral·lel. A més, és pot configurar un camp de captació combinant les dues agrupacions, que és el que anomenem agrupacions o circuits mixtos.

Connexió en sèrie

En la connexió en sèrie, la sortida del primer captador es connecta directament amb l’entrada del següent, i així consecutivament. La temperatura del fluid d’entrada a cada captador és superior a la del captador precedent, de manera que a la sortida d'un grup de captadors podem obtenir temperatures més altes que si treballéssim amb el salt tèrmic d’un sol captador.

Aquest tipus de connexió té l’inconvenient que el rendiment dels captadors va disminuint proporcionalment amb l’augment de la temperatura de treball; per tant, aquesta tipologia de connexió, únicament s’utilitza en aplicacions molt particulars, i amb un màxim de 6 a 10 m2 de captadors connectats en sèrie, segons la zona climàtica.

Pel que fa al comportament hidràulic d’aquesta configuració, el cabal total del grup de captadors serà l’equivalent al cabal d’un sol captador i, pel contrari, la pèrdua de càrrega provocada pel grup serà l’equivalent a la suma de la pèrdua de càrrega de tots els captadors.

Connexió en paral·lel

En la connexió en paral·lel, tant la sortida com l’entrada dels captadors estan connectades a punts d’entrada i sortida comuns a la resta de captadors.

Amb aquesta configuració, la temperatura del fluid d’entrada és la mateixa a tots els captadors i passa el mateix amb les temperatures de sortida, de manera que a la sortida de la bateria o al grup de captadors obtenim la temperatura com si treballéssim amb el salt tèrmic d’un sol captador.

Per tant, tots els captadors treballen en el mateix punt de la corba de rendiment. Aquesta connexió és la més habitual a les instal·lacions solars tèrmiques de baixa temperatura.

Hidràulicament, aquesta configuració ens presenta un cabal total del grup, que equival a la suma dels cabals parcials de cada captador, mentre que la pèrdua de càrrega del grup, serà l’equivalent a la d’un sol captador.

A partir dels esquemes reproduïts en les figures es poden apreciar les diferències bàsiques en la connexió dels captadors que integren una bateria.

Connexió mixta de captadors

En algunes ocasions, el volum dels captadors i/o la necessitat de temperatures més elevades dóna com a resultat instal·lacions que combinen la disposició en sèrie i en paral·lel. A aquesta tipologia l’anomenem mixta.

Equilibrament del camp de captació

Bàsicament, hi ha dues metodologies per aconseguir equilibrar el cabal de fluid termòfor en un camp de captadors:

  1. Igualant la longitud dels circuits. Això s’aconsegueix amb el que s’anomena retorn invertit. És a dir, igualar la longitud de canonades de connexió de tots els captadors per tal que el fluid tingui la mateixa pèrdua de càrrega.
  2. Inserint pèrdues de càrrega mitjançant la disposició de vàlvules d’equilibrament a l’entrada de les bateries de captadors. Així, a menor longitud de circuit s’aplica més pèrdua de càrrega amb la vàlvula corresponent.

Elements de connexió dels captadors

El camp de captadors solars tèrmics són, per definició, un circuit hidràulic que transmet l’escalfor rebuda del Sol al fluid termòfor. Un aspecte important a les instal·lacions són els sistemes de connexió entre els diversos captadors, el camp solar i les canonades que transporten i distribueixen el fluid termòfor fins al punt de consum o d’intercanvi de calor.

Les connexions entre captadors depenen en gran mesura del fabricant, ja que en el mercat hi ha una gran varietat d’acabats i de terminals de connexió entre captadors.

valoración: 3 - votos 6

Última revisió: 28 de setembre de 2015